(57)【要約】【課題】  無鉛の圧電セラミックス材料でありながら、機械的品質係数Ｑｍが高く、例えば、超音波振動子等の使用に適する特性を有する圧電セラミックス材料を提供する。【解決手段】  元素Ｂｉ，Ｎａ，Ｔｉ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｎｂ及びＯを含み、一般式：（１−ｘ−ｙ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＢａＴｉＯ３−ｙＢａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３で表される圧電セラミックス材料であって、ｘ，ｙが、下記式（１）及び（２）を満たす圧電セラミックス材料。    ０．０１≦ｘ≦０．２０  …式（１）    ０＜ｙ≦０．０５  …式（２）【特許請求の範囲】
【請求項１】
元素Ｂｉ，Ｎａ，Ｔｉ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｎｂ及びＯを含み、
一般式：（１−ｘ−ｙ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＢａＴｉＯ３−ｙＢａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３で表される圧電セラミックス材料であって、
ｘ，ｙが、下記式（１）及び（２）を満たす圧電セラミックス材料。
０．０１≦ｘ≦０．２０  …式（１）
０＜ｙ≦０．０５  …式（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を用いない圧電セラミックス材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧電セラミックス材料として、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３）等が知られている。なかでも、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした圧電セラミックス材料が多く使用されている。このチタン酸ジルコン酸鉛は、添加物を適宜選択することで、機械的品質係数Ｑｍや比誘電率ε３３T／ε０、圧電歪定数ｄ３３等を変化させうることなどから、洗浄機用や加工機用の超音波振動子や超音波センサ、圧力センサ、周波数フィルタ等に利用されている。
【０００３】
しかし、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックス材料の焼成工程及び焼結工程では、鉛化合物が分解して鉛が大気中に放出されたり、粉末製造成型工程で鉛が水中に放出されたりするため、公害対策を採る必要がある。また、廃棄物から鉛が溶出する恐れもある。
【０００４】
そこで、近年、鉛を含まない圧電材料の研究開発がなされており、例えば、Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３（ＢＮＴ）系の圧電セラミックス材料が知られている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１８０７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この特許文献１の圧電セラミックス材料では、大きな変位を得るために、比誘電率ε３３T／ε０が大きく、かつ電気機械結合係数Ｋ３３、圧電歪定数ｄ３３の大きないわゆるソフト系の圧電セラミックス材料を得ることを企図したものである。
このため、比誘電率ε３３T／ε０が大きいものの、柔らかいために機械的品質係数Ｑｍが低いので、洗浄機用や加工機用のボルト締めランジュバン型超音波振動子や魚群探知機用等の超音波振動子に用いる素子とするには、適さないものであった。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、無鉛の圧電セラミックス材料でありながら、機械的品質係数Ｑｍが高く、例えば、超音波振動子等の使用に適する特性を有する圧電セラミックス材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
その解決手段は、元素Ｂｉ，Ｎａ，Ｔｉ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｎｂ及びＯを含み、一般式：（１−ｘ−ｙ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＢａＴｉＯ３−ｙＢａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３で表される圧電セラミックス材料であって、ｘ，ｙが、下記式（１）及び（２）を満たす圧電セラミックス材料である。
０．０１≦ｘ≦０．２０  …式（１）
０＜ｙ≦０．０５  …式（２）
【０００９】
本発明の圧電セラミックス材料は、元素Ｂｉ，Ｎａ，Ｔｉ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｎｂ及びＯを含む無鉛の圧電セラミックス材料である。しかも、上述の一般式で表したとき、ｘ、ｙが、上述の条件式（１）及び（２）を満たす組成を有している。
この圧電セラミックス材料は、機械的品質係数Ｑｍが高く、比誘電率ε３３T／ε０も比較的大きい値を有する等、その他の特性も超音波振動子に用いた場合に適切な特性を備えるものとなる。
【００１０】
なお、ｘ及びｙは、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３とＢａＴｉＯ３とＢａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３の存在比（モル比）を示す係数である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明にかかる圧電セラミックス材料の実施例を比較例と共に説明する。
市販の高純度化学試薬Ｂｉ２Ｏ３，ＮａＨＣＯ３，ＢａＣＯ３，ＴｉＯ２，ＭｎＣＯ３，Ｎｂ２Ｏ５を、一般式：（１−ｘ−ｙ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＢａＴｉＯ３−ｙＢａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３となるように、所定量秤量した後、混合し、公知の手法により、仮焼、粉砕、造粒、成型、焼結、寸法加工、電極付け及び分極等を行い、実施例１〜１０及び比較例１〜６にかかる試料（圧電セラミックス材料、１２mmΦ×０．８mmｔ）を作製した。
この試料について、インピーダンスアナライザ（ＨＰ４１９４：アジレント・テクノロジー社製）を用いて、機械的品質係数Ｑｍ等の特性を計測した。その結果を表１に示す。
なお、各表及び以下において、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３をＢＮＴ、ＢａＴｉＯ３をＢＴ、Ｂａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３をＢＭＮと略記することがある。
【００１２】
【表１】
2007137704.tif 000002
【００１３】
この表１に示す実施例１〜１０及び比較例１〜６のうち、ＢＭＮの存在比（モル比）ｙをｙ＝０．００１に固定した場合（実施例１〜５、比較例１及び２）について、表２に整理して再掲する。
【００１４】
【表２】
2007137704.tif 000003
【００１５】
この表２によれば、ｙ＝０．００１に固定した場合、ＢＴの存在比（モル比）ｘが、下記式（１）を満たす場合（実施例１〜５）には、電気機械結合係数ｋｔ（％）をｋｔ≧４０％、機械的品質係数ＱｍをＱｍ≧３００、比誘電率ε３３T／ε０をε３３T／ε０≧４００、誘電損失ｔａｎδ（％）をｔａｎδ≦１．２％、キュリー温度Ｔｃ（℃）をＴｃ≧２５０℃のいずれをも満たすことができる。かくして、上記式（１）を満たすならば、超音波振動子への利用に適する、電気機械結合係数ｋｔ、機械的品質係数Ｑｍ、比誘電率ε３３T／ε０やキュリー温度Ｔｃが比較的大きく、各特性バランスの良い圧電セラミックス材料となることが判る。
０．０１≦ｘ≦０．２０  …式（１）
【００１６】
具体的には、ｘが、０．０１≦ｘ≦０．２０の範囲内であれば、ｋｔ≧４０％とできる。しかし、ｘ＝０．００５（比較例２）の場合には、ｋｔ＜４０％となり、十分な特性が得られないことが判る。また、ｘ＝０．２５（比較例１）の場合には、ｋｔ＜４０％となる上、Ｔｃ＜２５０℃となり、十分な特性が得られないことが判る。
【００１７】
次いで、表１に示す実施例１〜１０及び比較例１〜６のうち、ＢＴの存在比（モル比）ｘをｘ＝０．１５に固定した場合（実施例６〜１０、比較例３及び４）について、表３に整理して再掲する。
【００１８】
【表３】
2007137704.tif 000004
【００１９】
この表３によれば、ｘ＝０．１５に固定した場合、ＢＭＮの存在比（モル比）ｙが、下記式（２）を満たす場合（実施例６〜１０）には、電気機械結合係数ｋｔ（％）をｋｔ≧４０％、機械的品質係数ＱｍをＱｍ≧３００、比誘電率ε３３T／ε０をε３３T／ε０≧４００、誘電損失ｔａｎδ（％）をｔａｎδ≦１．２％、キュリー温度Ｔｃ（℃）をＴｃ≧２５０℃のいずれをも満たすことができる。かくして、上記式（２）を満たすならば、超音波振動子への利用に適する、電気機械結合係数ｋｔ、機械的品質係数Ｑｍ、比誘電率ε３３T／ε０やキュリー温度Ｔｃが比較的大きく、各特性バランスの良い圧電セラミックス材料となることが判る。
０＜ｙ≦０．０５  …式（２）
【００２０】
具体的には、ｙが、０＜ｙ≦０．０５の範囲内であれば、ｋｔ≧４０％とできる。しかし、ｙ＝０（比較例４）の場合には、ｋｔ＜４０％、Ｑｍ＜３００となり、十分な特性が得られないことが判る。この場合、特にＱｍが低い（Ｑｍ＝１１４）。つまり、ＢＭＮを添加しない比較例４に比して、わずかでも添加した（ｙ＞０）実施例６等では、Ｑｍを大幅に上昇させ得ることが判る。また、ＢＭＮを多く添加した比較例３（ｙ＝０．０６０）の場合にも、Ｑｍ＜３００となり、十分な特性が得られないことが判る。
【００２１】
さらに表１によれば、ｘ＝０．００５，ｙ＝０、従って、１−ｘ−ｙ＝０．９９５とした比較例６の試料では、Ｑｍ＜３００（具体的にはＱｍ＝１２６）となった。また、ｘ＝０．２５，ｙ＝０．０６０、従って、１−ｘ−ｙ＝０．６９０とした比較例５の試料では、Ｔｃ＜２５０℃（具体的にはＴｃ＝２２５℃）となった。従って、上記の式（１）及び（２）を満たさない試料では、満足な特性を得られないことが、この比較例５及び６からも判る。
【００２２】
かくして、この表１，２，３に示す結果により、一般式：（１−ｘ−ｙ）（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３−ｘＢａＴｉＯ３−ｙＢａ（Ｍｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３で表される圧電セラミックス材料において、０．０１≦ｘ≦０．２０とすると共に、０＜ｙ≦０．０５０とするのが好ましいことが判る。
そして、この組成を有する圧電セラミックス材料は、例えば、洗浄機用や加工機用のボルト締めランジュバン型超音波振動子等の強力超音波応用機器や、魚群探知機等の超音波振動子に用いる素子として適するものである。
【００２３】
以上において、本発明を表１（表２，３）に示す各実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例に示す組成の圧電セラミックス材料に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用することはいうまでもない。